數字航測相機的實驗室檢定與攝影檢校

鄒勇平,繆 劍

(西安 61363部隊,陜西西安 710054)

數字航測相機的實驗室檢定與攝影檢校

鄒勇平,繆 劍

(西安 61363部隊,陜西西安 710054)

介紹數字航測相機檢定的原理,以及國內外實驗室檢定和飛行檢校的概況,對比分析兩者的關系,提出了數字航測相機檢定的建設思路。

數字航測相機;內方位元素與畸變;實驗室檢定;飛行檢校

一、前 言

嚴格檢定相機參數,正確恢復攝影光束,消除影像畸變,才可達到利用航攝影像完成測量的目的,因而對相機進行嚴格的檢定是攝影測量的關鍵。膠片相機檢定都是以實驗室的檢定儀器采用精密測角法得到內方位元素和畸變,此項工作在技術能力、測量裝備、計量標準等方面都已經成熟規范。隨著數字航測相機的廣泛應用,其檢定已成為必須解決的問題。數字相機的檢定和傳統相機的檢定有很大不同,傳統相機檢校主要針對物鏡,而數字相機必須作為光機電整體來對待,不僅需要更高精度的幾何檢定,還需要對光譜和輻射量進行檢定。

二、數字航測相機檢定概述

數字相機的幾何量誤差,包括光學誤差、機械誤差和電學誤差。光學誤差主要是指光學畸變誤差,是指相機物鏡系統制作、裝配引起的像點偏離其理論位置點位的誤差,可分為徑向畸變差、偏心畸變差和共面畸變差。機械誤差是指從光學鏡頭攝取的影像轉化為數字化陣列影像產生的誤差,主要由掃描陣列不平行于光學影像或陣列元素尺寸和排列不同而產生變形。電學誤差主要包括行同步誤差、場同步誤差和采樣誤差。以ADS40相機為例,圖 1所示為由畸變造成的影像失真;圖 2所示為單波段的 12 000個CCD像元理論位置、實際位置和檢校位置的偏差。

圖1 畸變造成的CCD實際焦平面失真

圖2 CCD單線陣列像元安置誤差

相機檢定的目的就是確定相機的內方位元素和影響像點成像質量的各系統誤差系數,式(1)就是一種系統誤差的數學模型。檢定中通過一系列像點的觀測,能夠得到一個數據的集合,進而解算該模型的未知參數,最后擬合出圖2所示的 CCD陣列位置。

式中,x、y是像點在像平面坐標系中的坐標;x0、y0為像主點坐標;

二、數字航測相機的實驗室檢定

1.國外數字航測相機的實驗室檢定

在研制過程中對數字航測相機進行檢定是必不可缺少的。以ADS系列線陣數字相機為例,在徠卡公司和德國宇航中心都有檢定的儀器。其中德國宇航中心的檢定儀器屬于科學級,通用性強、精度高。徠卡公司的檢定儀器比較經濟,借鑒意義強。徠卡的檢定儀器用途是：在生產過程中測試鏡頭和在系統定標中完成相機整體的最后檢定。ADS40的幾何校準所用儀器為垂直測角編碼器(CVG),圖 3所示是其光路示意圖,它是由檢測膠片相機鏡頭的測角器改裝而成,全自動化的測量程序將結果直接導入系統數據庫。測量時將鏡頭的入瞳與測角器的旋轉軸調整重合,在旋轉軸內由一個輔助光路把一個小的電碼圖影像到無窮遠,被測的ADS鏡頭重調焦距使電碼圖聚焦在數字傳感器上,旋轉軸沿著 CCD基線做一個場 (X)掃描。為了確定基線外的像素,還需要在垂直方向移動的鏡向(Y)掃描。從旋轉的角度和掃描讀數得到所需數據。電碼圖由一串隨機安排的在兩個正交方向上3μm寬的黑白刻線組成,這是增強線陣 CCD對目標定位精度的手段之一。

圖3 垂直測角編碼器(CVG)的光路示意圖

面陣相機的檢定類似與傳統膠片相機,相對而言較容易實現,以 DMC為例,檢定包括兩個階段：①先在檢定臺上檢定相機的每一個單鏡頭參數和單鏡頭的傾角方位;②測量組合在一起的多個鏡頭的相對方位,依靠試飛取得的檢定圖像通過參數計算得到。每一臺相機都要在標定好 33個控制點的試驗場上試飛,通過比較空中三角測量的解算精度對檢定方法進行評估。DMC檢定在耶拿和上科亨的廠區有不同的儀器,耶拿的檢定臺是專門為DMC相機鏡頭檢定建立的兩維高精度轉臺,上科亨使用的是裝有瞄準器的光具座和測角儀,是由膠片相機檢定儀改制而成,這與筆者現有儀器相似,易于實現,借鑒意義較強。不過新儀器采用了更高對比度的圓形目標和新算法,將識別精度提高到 1/25像素,經過研究筆者認為基于插值和非線性加權的質心算法可以達到這一精度。

2.數字相機檢定儀研制的初步方案

在國內,航空面陣和航天三線陣相機的實驗室檢定都有研究,筆者檢定儀研制的初步思路是：將被檢測的航攝相機固定在一個可以繞相機的光軸旋轉的轉臺之上。用相機下方的目標平行光管模擬無窮遠的目標成像于 CCD焦平面。通過轉臂旋轉,使目標像點在CCD探測平面上以像主點為圓心沿直徑方向作徑向移動。轉臺和轉臂的旋轉就能使像點在 CCD像面上產生米字形分布,用高精度的測角編碼器測量并輸出轉動的精確角度(如圖 4所示)。

圖4 數字相機檢定儀結構設計示意圖

系統同時采集、記錄CCD的圖像數據和和測角編碼器的角度數據。通過對 CCD焦平面不同分布像點的測量,應用相關算法,便能夠解算筆者需要的相機參數,實現對數字航攝相機的幾何量檢定。圖 4所示為系統結構示意圖。當然,其中對高精度目標像的定位、高精度的回轉軸系和光電軸角編碼器、幾何校準的算法和系統誤差模型、系統與被測進口相機的數據接口、自動控制軟件及檢校軟件以及對于線陣數字航攝相機的編碼目標等都需要做深入的研究。

三、數字航測相機的攝影檢校

在國內,攝影檢校以攝影方式區分主要有：室內、室外近景及航攝三類。對應的檢定場即室內檢定場、室外近景式檢定場及動態航攝地面檢定場,理論上后兩種適合于量測型數字相機。基于室內外檢定場的校準基本都是事先標定好試驗場標志點,再利用共線方程、直接線性變換、空間后方交會等原理解算內方位元素。

1.國外數字航測相機的攝影檢校

在國外,徠卡的 LPS或法國 Infoterra公司的像素工廠都可以采用自檢校光束法平差原理通過嚴格的飛行檢校完成攝影檢校,不需要標定物,僅僅依靠多幅圖像對應點之間的關系就可以檢校出相機的內方位元素、CCD像元誤差以及 IMU安置誤差。自檢校光束法平差的基本思想就是,在通常的光束法誤差方程式中,增加由待定參數組成的若干項來抵償系統誤差的影響,這些附加的待定參數在平差過程中與其他未知參數一起同時解算出來,所以也可稱為附加參數的光束法平差。像點坐標系統誤差δx、δy隨像點在焦平面上的位置而改變,規律較復雜,但是其變化是連續的,通常是使用像點坐標的多項式(2)來逼近

式中,多項式的系數 a0、a1、a2、b0、b1、b2即所謂的附加參數,它們在整體平差的過程中與其他參數一起解算。像素工廠ADS40相機檢校模塊在計算像元排列誤差時,先在光束法平差過程求出一次項多項式系數a0、a1、b0、b1,然后再根據像點殘差擬合出高階多項式系數,反復迭代逼近實際像元位置坐標。

由于自檢校僅要建立圖像對應點,標定方法靈活性強,但是最大的不足在于其算法的魯棒性差,即要求完美的飛行和理想的影像數據。該類模塊在以下幾個方面是需要作深入研究的:相機鏡頭光學成像的嚴密數學模型;線陣 CCD像元掃描圖像幾何糾正的數學模型; IMU誤差補償數學模型;快速空三、光束法平差算法;原始圖像增強;整航帶影像匹配和大量連接點的自動生成。

2. IM U的檢校問題

對于 ADS系列線陣相機,還有 IMU的檢校問題。 IMU一般與航攝儀安裝時要求各軸方向一致。但實際上二者各軸指向間不可避免地存在著角度差,即偏心角,必須采用飛行檢校的方法來確定。即在一個有足夠數量和精度控制點的區域檢校飛行,用傳統空三方法計算出每張像片的外方位元素,再通過與 POS測量獲得的位置和姿態數據進行計算來求得偏心角的最佳估計值。

四、數字航測相機實驗室檢定與試驗場檢校的關系

1.實驗室檢定與飛行檢校的區別

1)內容比較。實驗室檢定可以涵蓋幾何、光度、色度三個方面。幾何校準是為了消除鏡頭的光學畸變誤差、像素排列的機械誤差、光電信號轉化的電學誤差,校準內容包括內方位元素即主點、主距、單個像素的二維幾何坐標、光學傳遞函數(OTF)和調制傳遞函數 (MTF)。光度學輻射校準的目標是消除像素響應非均勻性,校準內容包括缺陷像素、單個像素的感光靈敏度、漸暈效應和光圈的影響。色度學校準目的是測量單個像素光譜敏感度。飛行檢校僅可以完成幾何校準。

2)作用比較。實驗室檢定是基礎,是最原始最物理的檢定,所有檢定數據是要安置在相機內部;而飛行檢校最初是為了驗證最后測量精度而設置的,隨著自檢校技術的發展,飛行檢校也可以完成畸變的檢校工作,其檢校文件是用于測圖時脫機校正,應該說其影響小于實驗室檢定。這也是二者區分用詞為檢定和檢校的原因,實驗室檢定結果可以是法定計量證書,決定相機是否合格。而飛行檢校側重于精度驗證。

3)精度比較。實驗室檢定的不確定度是可控的,換句話說精度更高。因為實驗室的環境可控,檢定標準可溯源,可以用計量的體系要求全面控制,這對數字相機在各個行業的推廣也是很有幫助得;而飛行檢校諸多因素都難以人為控制,精度不好把握,成本高,不易進行計量認可。

飛行檢校的優勢：① IMU安置誤差只能依靠飛行檢校來完成;②最終測圖精度可以利用飛行檢校得到驗證。所以實驗室檢定與飛行檢校功能有重疊各有側重但是不能相互替代。實驗室檢定是飛行檢校的基礎,雖然現階段飛行檢校在某些參數上可以代替實驗室檢校,但是從長遠看實驗室檢定是無法替代的。

2.飛行檢校場對數字相機檢定的意義與作用

要進行飛行檢校,有一種觀點認為飛行檢校場是必不可少的關鍵因素。但是飛行檢校場的建設并非飛行檢校的充分條件,甚至也不是必要條件。飛行檢校的關鍵技術在于檢校軟件,有了檢校場,沒有相應的檢校軟件,還是無法完成檢校工作,另一方面對于徠卡的 LPS或是 Infoterra的像素工廠,其相機檢校模塊并不需要專門的檢校場,而只要按照雙高度、雙十字對飛的要求進行檢校飛行,當然有地面控制點的檢校場就具有精度驗證的作用。

現階段,對于國內自行研制的數字相機以及檢校方法而言,檢校場的建設是關鍵,特別是檢校場標志點精度是影響檢校精度的主要因素之一。

[1] 李月鋒,鄒勇平,譯.LH系統的 ADS40航空數碼攝影相機的校準[J].測繪技術裝備,2006,8(3)：41-44.

Laboratory Calibration and Photographic Calibration of the D igital A irborneMapping Camera

ZOU Yongping,M IAO Jian

0494-0911(2010)12-0004-03

P246

B

2010-07-20

鄒勇平(1972—),男,陜西西安人,碩士,工程師,研究方向為數字航測相機的維護、維修與檢定。